長距離大高差天然氣集輸管道定向鉆穿越施工方法

朱傳清

陜西化建工程有限責任公司 陜西楊凌 712100

隨著陜北區域石油天然氣地面集輸管網的快速發展，集輸管道建設長度不斷增長，穿跨越工程越來越多，而定向鉆穿越方式在工期、經濟等方面的優點也越來越明顯，穿越長度不斷創新記錄。因此，確保定向鉆穿越工程的質量，降低施工過程中的風險就變得尤為重要。

1 工程概況

郝3 定向鉆穿越工程屬于延安氣田延899 井區地面集輸工程，管道規格為1 根φ114.3mm×7mm 采氣管道、1 根φ26.9mm×4.5mm 注醇管道，均為無縫鋼管。采氣管道設計壓力為4MPa，注醇管道設計壓力為35MPa。由淺及深穿越地層為：素填土、粉砂、中風化砂巖。最大穿越深度為182m，最小穿越深度20m；設計入土角為10°，出土角12°。

2 施工要素分析

2.1 鉆具

本次定向鉆距離長。一般距離越長，靠近鉆頭的鉆桿承受扭矩越大，且由于穿越深度非均質性極差，變異性極強（20～182m）。所以鉆柱中性點位置變化極其頻繁，導致鉆桿非常容易在拉力、扭力、壓力的綜合作用下產生疲勞破壞，從而使鉆桿斷裂、脫扣的潛在風險增大。

2.2 導向

定向鉆鉆進前，需要根據地質勘察報告對地層的物性進行詳細了解，并對鉆進軌跡進行設計。鉆進過程中如果由于人為因素或者設備因素偏離設計軌跡，或者增斜角小于鉆桿允許的最小曲率半徑[1]，在不能及時進行糾偏時，會導致卡鉆、孔壁坍塌、回拖卡管甚至鉆孔報廢等嚴重問題。故司鉆的技術水平、責任意識和設備的精度對定向鉆成功與否至關重要。

2.3 泥漿

由于穿越的地層巖性較多，穿越深度極其不均質（上覆地層壓力變化幅度大）。其中延河段穿越深度極淺，且處于此次定向鉆最低點，泥漿的靜液柱壓力很容易在此段和其他穿越深度較小的地方發生漏漿、冒漿事故。所以，需要根據鉆進過程中的返屑，嚴格控制泥漿的粘度、密度，以減少漏漿和冒漿發生的幾率。

3 施工機具選用

3.1 鉆機選用

鉆機選用必須以最大回拖力為基礎[2]。由于郝3 定向鉆與一般定向鉆穿越工程在高差上有較大差別，入土端直線段長1068m，底部直線段長734m，出土端直線段長193m。所以對GB 50424- 2015《油氣輸送管道穿越工程施工規范》中管道回拖力計算方法[3]進行分解，將穿越管道分為三段進行受力計算，即入土端直線段、底部水平段和出土端直線段。

由于本次預選鉆柱組合在連接穿越管道后，回拖前的拉力小于穿越管道在鉆孔內的拉力，故以后者來計算最大回拖力，計算結果為186.83kN。由于該結果未考慮安全裕量，故依照規范要求需乘以安全系數，安全系數取1.5～3，得到最大回拖力應介于280.25～560.49kN 之間，故選擇XZ1000A 鉆機（最大推拉力1000kN，最大扭矩45）。

3.2 鉆頭選用

目前國內常用的鉆頭有三牙輪鉆頭和PDC 金剛石鉆頭。三牙輪常用于硬度小的軟地層，PDC 金剛石鉆頭常用于硬度大、進尺速度慢的地層[4]。由于本次定向鉆距離較長，高差較大，采用了分段多開次鉆進方法，故選擇更經濟的牙輪鉆頭（9in，10.5in，12.2in），提高了經濟效益。

3.3 鉆柱選用

考慮到鉆進過程中性點的位置變化較大，與一般定向鉆鉆柱不同，特增加加重鉆桿確保中性點落于鉆鋌或加重鉆桿，保證鉆桿服役條件，避免發生鉆桿斷裂事故。鉆柱組成：1 根無磁鉆鋌（NC3850，φ127mm，9.15m/根）+2 根 加 重 鉆 桿 （ZH- JZ50- NC50- Ⅱ ，φ127mm,13.5m/ 根）+ 若干根鉆桿（E 級，屈服強度1970kN，φ127mm，9.5m/ 根）。

4 泥漿配制

由于穿越地層大部分是中風化砂巖，孔隙度和滲透率較大，巖層膠結強度小，部分孔段穿越深度過小?？紤]到需穿越村莊，為了減少泥漿漏失和對周圍地層的污染，故采用水基泥漿，配料為食用純堿、潤滑劑、有機膨潤土，以及少量固壁劑和降失水劑，進行充分混合制成粘度為70s 的高粘泥漿。該泥漿在孔壁上形成的泥餅能有效減少濾失，泥餅成型好、不松散，很好地起到固壁作用，并且表面光滑，回拖時可有效減小對穿越管道3PE 防腐層的破壞。

5 施工工藝

5.1 分段多開次鉆進方法

因考慮到入出鉆點高差大、易卡鉆的不利因素，提出分段多開鉆進，即每開次鉆進300m，抽回9inPDC 鉆頭，換用10.5 英寸PDC 鉆頭正擴，加大孔徑至300m；再抽回鉆頭，連接12.2 英寸PDC 鉆頭正擴至300m 處，抽回鉆頭，重復此流程直至鉆通。正擴孔的目的是給后續導向鉆具留有足夠的安全環形空間，避免巖屑包裹鉆具造成卡鉆。

5.2 預擴孔和清孔

預擴孔用擴孔器+ 扶正器組合使用，可加快擴孔速度和提升孔壁的圓滑度，對孔徑內的巖塊和顆粒進行充分擠壓，加強孔壁的堅固性和孔內純潔性，便于拖管施工，減小擴孔扭矩和拖管阻力，提升泥漿的流動性。本次采用一級擴孔、一級清孔，擴孔用Φ350mm 擴孔器+Φ350mm 扶正器，清孔用Φ350mm 擠擴器。

5.3 管道回拖

3 根回拖管焊接、探傷、補口補傷等工序完成后，在每根管的前部分別焊一個拖拉頭。拖拉頭能承受的最小拖拉力不得小于計算的最大回拖力，用相配備的U 型環分別與分動器相連，把回拖管全部架設在發送滾輪架上，避免回拖過程有刮、碰、劃等現象出現?；赝蠒r連接順序為：鉆機→鉆桿→擠擴器→分動器→U 型環→軟連接→回拖管[5]。

6 結論

本工程最終歷時103d 成功鉆通并拖管完成。此次定向鉆施工過程中成功應用了部分石油天然氣鉆井工程相關理念，并得到以下結論：

（1）對于穩斜段（入土直線段或出土直線段）長的定向鉆穿越工程，通過分段分析管道受力來準確進行鉆機選型，可以防止未經計算選擇過大的鉆機造成經濟效益降低，或套用規范中的公式未分段分析受力直接計算使得選用鉆機選型過小。

（2）類似此次高差大、穿越深度變化大的定向鉆穿越工程，需控制泥漿的性能參數，根據地質巖層情況添加化學劑，確保鉆孔內泥餅固壁性和防濾失性良好，并且泥漿的密度不應過大。還要嚴格控制重晶石劑量的使用，避免在最低點因為靜液柱壓力過大而出現冒漿事故。

（3）為了避免因巖性頻繁變化使井壁坍塌造成返工甚至卡鉆事故，首次在長距離定向鉆工程中使用分段多開次鉆進方法。即每鉆進300m 進行兩次擴孔，有效提高了孔壁成型質量，優化了鉆桿的受力條件，可在類似過程中推廣運用。

（4）在施工中為避免泥漿在中途冒漿污染水源，影響居民日常工作生活，設計鉆進軌跡走向在巖層較厚及空闊地帶，避免了埋深淺處冒漿的發生，減少了環境污染，節省了施工成本。